WO2022019600A1 - 이상 셀 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 - Google Patents

이상 셀 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for diagnosing an abnormal cell and a battery system to which the same is applied.
  • Diagnosis for determining whether a battery cell is abnormal is based on a range of a cell voltage value. For example, if the cell voltage value is within a predetermined normal range, it may be diagnosed that there is no abnormality in the corresponding battery cell.
  • a defective battery cell can operate with a cell voltage within the normal range. In this case, there is a limit in that a defective battery cell cannot be detected.
  • An object of the present invention is to provide a method for diagnosing an abnormal cell and a battery system to which the method is applied.
  • a battery system includes: a battery pack including a plurality of battery cells; and measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells during wake-up, setting a number for each of the plurality of battery cells, and periodically measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells after the wake-up to the maximum Detects a cell voltage and a minimum cell voltage, compares the minimum cell voltage with a cell voltage of at least one first diagnostic target battery cell, and compares the maximum cell voltage with a cell voltage of at least one second diagnostic target battery cell and a battery management system for diagnosing whether the battery cell to be diagnosed is abnormal according to the comparison results.
  • the battery management system sets the plurality of battery cells as cells 1 to n in the order from a battery cell having a highest cell voltage to a battery cell having a lowest cell voltage among the measured cell voltages, and at least the first cell
  • the first battery cell to be diagnosed is set to include at least the n-th battery cell
  • the second battery cell to be diagnosed is set to include at least the n-th cell, where n is a natural number indicating the total number of the plurality of battery cells.
  • the first battery cell to be diagnosed includes the first cell to the n/2 cell
  • the second battery cell to be diagnosed includes the n/2 cell to the n-th cell.
  • the first battery cell to be diagnosed includes the first cell to the (n-1)/2 or (n+1)/2 cell
  • the second battery cell to be diagnosed may include the (n-1)/2 cell or the (n+1)/2 cell to the n-th cell.
  • the battery management system may include: a sub control circuit connected to the plurality of battery cells from the time of the wake-up and periodically measuring a cell voltage of each of the plurality of battery cells; and diagnosing an abnormality in a battery cell having a lower than the minimum cell voltage among the first diagnosis subject battery cells, and diagnosing an abnormality in a battery cell having a higher than the maximum cell voltage among the second diagnosis subject battery cells at every cell voltage measurement period It may include a main control circuit.
  • the main control circuit is configured to set the plurality of battery cells to cells 1 to n in the order from a battery cell having a highest cell voltage to a battery cell having a lowest cell voltage among periodically measured cell voltages, and at least the 1 A No. cell may be set as the first diagnosis target battery cell, and at least the nth cell may be set as the second diagnosis target battery cell.
  • a method for diagnosing an abnormal cell in a battery system including a plurality of battery cells and a battery management system connected to the plurality of battery cells by measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells during wake-up.
  • n is the number of the plurality of battery cells
  • periodically measuring a cell voltage of each of the plurality of battery cells after the battery management system wakes up detecting a minimum cell voltage and a maximum cell voltage from among the measured voltages of the plurality of battery cells; determining whether a cell voltage of each of first diagnosis target battery cells including at least the first cell is equal to or less than the minimum cell voltage with respect to the plurality of measured battery cell voltages; determining whether a cell voltage of each of second diagnosis target battery cells including at least the n-th cell is equal to or greater than the maximum cell voltage; and diagnosing an abnormal cell among the plurality of battery cells based on the determination results.
  • the diagnosing of the abnormal cell may include determining that a battery cell having a voltage equal to or less than the minimum cell voltage among the first diagnosis target battery cells is abnormal.
  • the diagnosing of the abnormal cell may include determining that a battery cell equal to or greater than the maximum cell voltage among the second diagnosis target battery cells is abnormal.
  • the cells 1 to n/2 are set as the first diagnosis target battery cell, or when n is an odd number, the cells 1 to ( The method may further include setting n-1)/2 or (n+1)/2 cell as the first diagnosis target battery cell.
  • the abnormal cell diagnosis method when n is an even number, the n/2 cells to the n-th cells are set as the second diagnosis target battery cell, or when n is an odd number, the (n-1)/ The method may further include setting 2 or the (n+1)/2 cell to the n-th cell as the second diagnosis target battery cell.
  • An object of the present invention is to provide a method for diagnosing an abnormal cell and a battery system to which the method is applied.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for diagnosing an abnormal cell according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a waveform diagram illustrating voltages of battery cells in a discharging mode to explain an exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a waveform diagram illustrating voltages of battery cells in a charging mode to explain an embodiment.
  • a battery system includes: a battery pack including a plurality of battery cells; and measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells during wake-up, setting a number for each of the plurality of battery cells, and periodically measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells after the wake-up to the maximum Detects a cell voltage and a minimum cell voltage, compares the minimum cell voltage with a cell voltage of at least one first diagnostic target battery cell, and compares the maximum cell voltage with a cell voltage of at least one second diagnostic target battery cell and a battery management system for diagnosing whether the battery cell to be diagnosed is abnormal according to the comparison results.
  • the battery management system sets the plurality of battery cells as cells 1 to n in the order from a battery cell having a highest cell voltage to a battery cell having a lowest cell voltage among the measured cell voltages, and at least the first cell
  • the first battery cell to be diagnosed is set to include at least the n-th battery cell
  • the second battery cell to be diagnosed is set to include at least the n-th cell, where n is a natural number indicating the total number of the plurality of battery cells.
  • the first battery cell to be diagnosed includes the first cell to the n/2 cell
  • the second battery cell to be diagnosed includes the n/2 cell to the n-th cell.
  • the first battery cell to be diagnosed includes the first cell to the (n-1)/2 or (n+1)/2 cell
  • the second battery cell to be diagnosed may include the (n-1)/2 cell or the (n+1)/2 cell to the n-th cell.
  • the battery management system may include: a sub control circuit connected to the plurality of battery cells from the time of the wake-up and periodically measuring a cell voltage of each of the plurality of battery cells; and diagnosing an abnormality in a battery cell having a lower than the minimum cell voltage among the first diagnosis subject battery cells, and diagnosing an abnormality in a battery cell having a higher than the maximum cell voltage among the second diagnosis subject battery cells at every cell voltage measurement period It may include a main control circuit.
  • the main control circuit is configured to set the plurality of battery cells to cells 1 to n in the order from a battery cell having a highest cell voltage to a battery cell having a lowest cell voltage among periodically measured cell voltages, and at least the 1 A No. cell may be set as the first diagnosis target battery cell, and at least the nth cell may be set as the second diagnosis target battery cell.
  • a method for diagnosing an abnormal cell in a battery system including a plurality of battery cells and a battery management system connected to the plurality of battery cells by measuring the cell voltage of each of the plurality of battery cells during wake-up.
  • n is the number of the plurality of battery cells
  • periodically measuring a cell voltage of each of the plurality of battery cells after the battery management system wakes up detecting a minimum cell voltage and a maximum cell voltage from among the measured voltages of the plurality of battery cells; determining whether a cell voltage of each of first diagnosis target battery cells including at least the first cell is equal to or less than the minimum cell voltage with respect to the plurality of measured battery cell voltages; determining whether a cell voltage of each of second diagnosis target battery cells including at least the n-th cell is equal to or greater than the maximum cell voltage; and diagnosing an abnormal cell among the plurality of battery cells based on the determination results.
  • the diagnosing of the abnormal cell may include determining that a battery cell having a voltage equal to or less than the minimum cell voltage among the first diagnosis target battery cells is abnormal.
  • the diagnosing of the abnormal cell may include determining that a battery cell equal to or greater than the maximum cell voltage among the second diagnosis target battery cells is abnormal.
  • the cells 1 to n/2 are set as the first diagnosis target battery cell, or when n is an odd number, the cells 1 to ( The method may further include setting n-1)/2 or (n+1)/2 cell as the first diagnosis target battery cell.
  • the abnormal cell diagnosis method when n is an even number, the n/2 cells to the n-th cells are set as the second diagnosis target battery cell, or when n is an odd number, the (n-1)/ The method may further include setting 2 or the (n+1)/2 cell to the n-th cell as the second diagnosis target battery cell.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a battery system according to an embodiment.
  • the battery system 1 of FIG. 1 may be mounted on a vehicle so that an electric load such as a motor may be connected to output terminals (+, -), and may supply power to the electric load.
  • the output terminals (+, -) of the battery system 1 may be connected to a charger (not shown) to receive power from the charger to be charged.
  • the battery system 1 may operate in a discharging mode in which power is supplied to an electric load and a charging mode in which power is supplied from a charger.
  • the battery system 1 includes a battery 10 , a battery management system (BMS) 20 , a cell voltage measurement circuit 30 , a cell balancing circuit 40 , a relay unit 50 , and a fuse 60 . , and a current sensor 70 .
  • BMS battery management system
  • the battery 10 includes a plurality of battery cells 11-15 connected in series.
  • the battery 10 is illustrated as including four battery cells 11-14, but this is an example and the invention is not limited thereto.
  • the fuse 60 is connected between the positive electrode of the battery 10 and the output terminal (+), and may be blown when its temperature reaches a threshold due to an excessive current.
  • the relay unit 50 controls a current path during charging and discharging of the battery 10 . Closing and opening of the relay unit 50 is controlled according to a relay control signal RSC supplied from the BMS 20 .
  • the current sensor 70 detects the direction and magnitude of the current flowing through the battery 10 (hereinafter, the battery current), and the current sensor 70 receives a signal VCS indicating the magnitude and direction of the sensed current. It can be transmitted to the BMS (20).
  • the BMS 20 controls the charging/discharging current of the battery battery 10 based on information such as cell voltage and battery current of the plurality of battery cells 11-14, and A cell balancing operation is performed by controlling the balancing unit 40 .
  • the BMS 20 may be connected to each of the plurality of battery cells 11-14 through the cell voltage measuring unit 30 to measure the cell voltage.
  • the BMS 20 may first wake-up to operate the battery system 1 .
  • the BMS 20 measures the cell voltage of each of the plurality of battery cells 11-14 upon wake-up, aligns the measured cell voltages, sets a number to each of the plurality of battery cells 11-14, and wakes up After -up, the cell voltage of each of the plurality of battery cells 11-14 is periodically measured, and each of the maximum cell voltage and the minimum cell voltage is compared with the cell voltage of at least one battery cell to be diagnosed, and according to the comparison result It is possible to diagnose whether a battery cell to be diagnosed is abnormal.
  • the number of battery cells to be diagnosed may be set to a number (n/2) corresponding to half of all battery cells instead of all battery cells (n).
  • the number of diagnosis target battery cells to be compared with the maximum cell voltage may also be set to a number corresponding to half of the total number of battery cells.
  • (n/2)+1 cells to nth cells excluding the upper (n/2) cells that can have a voltage similar to that of cell 1 during wake-up having the highest cell voltage are the maximum cell voltage and It may be set as a diagnostic target battery cell to be compared.
  • cell 3 which may have a voltage similar to that of cell 4 having the lowest cell voltage, may be lower than the cell voltage of cell 4 by discharging, so the battery to be diagnosed
  • the remaining cells 1 and 2 may be set as the battery cells to be diagnosed.
  • cell 2 which can have a voltage similar to cell 1 with the highest cell voltage, may be higher than the cell voltage of cell 1 by charging, so it is not the battery cell to be diagnosed, and the remaining cells 3 and 4 are It may be set as a battery cell to be diagnosed.
  • the number of battery cells to be diagnosed may be set to a natural number similar to half of the total number of battery cells.
  • a natural number similar to half may be (n-1)/2 or (n+1)/2.
  • the BMS 20 sets the plurality of battery cells 11-14 as cells 1 to 4 in order from a battery cell having the highest cell voltage to a battery cell having the lowest cell voltage.
  • Battery cells to be diagnosed In one embodiment, when it is detected by the BMS 20 that the cell voltage of each of the cells 1 and 2) becomes lower than the minimum cell voltage, the BMS 20 determines that there is an abnormality in the battery cell lower than the minimum cell voltage. can be diagnosed In addition, when it is detected by the BMS 20 that the cell voltage of each of the battery cells to be diagnosed (cell 3 and cell 4 in one embodiment) becomes higher than the maximum cell voltage, the BMS 20 is a battery higher than the maximum cell voltage. It can be diagnosed as having an abnormality in the cell.
  • the cell voltage measurement circuit 30 includes a plurality of resistors 31-35.
  • the resistor 31 is connected between the positive electrode of the battery cell 11 and the input terminal P1, and one end of the resistor 32 is connected to the negative electrode of the battery cell 11 and the positive electrode of the battery cell 12, The other end of the resistor 32 is connected to the input terminal P3, one end of the resistor 33 is connected to the negative electrode of the battery cell 12 and the positive electrode of the battery cell 13, and the other end of the resistor 33 is the input terminal.
  • one end of the resistor 34 is connected to the negative electrode of the battery cell 13 and the positive electrode of the battery cell 14, and the other end of the resistor 34 is connected to the input terminal P7, , one end of the resistor 35 is connected to the negative electrode of the battery cell 14 and the positive electrode of the battery cell 15 , and the other end of the resistor 35 is connected to the input terminal P9 .
  • the cell balancing circuit 30 includes a plurality of resistors 41 , 43 , 45 , 47 and a plurality of battery cell balancing switches 42 , 44 , 46 , 48 .
  • a resistor 41 and a cell balancing switch 42 are connected in series between the input terminal P1 and the input terminal P3, and the gate of the cell balancing switch 42 is connected to the output terminal P2, and the cell balancing switch Reference numeral 42 switches according to the cell balancing control signal BC1 generated by the cell voltage monitoring & cell balancing sub control circuit 200 .
  • a resistor 43 and a cell balancing switch 44 are connected in series between the input terminal P3 and the input terminal P5, and the gate of the cell balancing switch 44 is connected to the output terminal P4, and the cell balancing switch Reference numeral 44 switches according to the cell balancing control signal BC2 generated by the cell balancing control unit 200 .
  • a resistor 45 and a cell balancing switch 46 are connected in series between the input terminal P5 and the input terminal P7, and the gate of the cell balancing switch 46 is connected to the output terminal P6, and the cell balancing switch Reference numeral 46 switches according to the cell balancing control signal BC3 generated by the cell balancing control unit 200 .
  • a resistor 47 and a cell balancing switch 48 are connected in series between the input terminal P7 and the input terminal P9, and the gate of the cell balancing switch 48 is connected to the output terminal P8, and the cell balancing switch Reference numeral 48 switches according to the cell balancing control signal BC4 generated by the cell balancing control unit 200 .
  • the BMS 20 may include a main control circuit 100 and a sub control circuit 200 .
  • the main control circuit 100 controls the operation of the BMS 20 and controls the operation of the BMS 20 based on information such as cell voltage, battery current, and cell temperature received by the BMS 20 .
  • the sub control circuit 200 measures the cell voltage of each of the plurality of battery cells 11 - 14 according to the control of the main control circuit 100 .
  • the sub control circuit 200 measures the voltage of the battery cell 11 based on the difference between the input terminal P1 voltage and the input terminal P3 voltage, and based on the difference between the input terminal P3 voltage and the input terminal P5 voltage Measure the voltage of the battery cell 12, measure the voltage of the battery cell 13 based on the difference between the input terminal P5 voltage and the input terminal P7 voltage, and measure the voltage difference between the input terminal P8 voltage and the input terminal P9 voltage Based on the battery cell 14 voltage is measured.
  • a plurality of battery cell voltages measured by the sub control circuit 200 may be transmitted to the main control circuit 100 .
  • the sub control circuit 200 controls cell balancing based on a plurality of battery cell voltages. For example, the sub control circuit 200 compares each of a plurality of battery cell voltages with a predetermined threshold, detects a battery cell exceeding a predetermined threshold among the plurality of battery cell voltages, and discharges the detected battery cell. A cell balancing control signal may be generated. Alternatively, the sub control circuit 200 calculates a deviation between the voltages of a plurality of battery cells, detects a battery cell in which the calculated deviation exceeds a predetermined threshold, and generates a cell balancing control signal for discharging the detected battery cell. can
  • the main control circuit 100 arranges the cell voltages of the plurality of battery cells 11-14 measured at the time of wake-up of the BMS 20 in the order of high voltage, and assigns a number to each of the plurality of battery cells 11-14. After the wake-up, the cell voltages of the plurality of battery cells 11-14 are periodically measured, and the maximum cell voltage and the minimum cell voltage and the cell voltage of the battery cells to be diagnosed corresponding to half of the plurality of battery cells and the It is compared, and it is possible to diagnose whether the battery cells to be diagnosed are abnormal according to the comparison result.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for diagnosing an abnormal cell according to an exemplary embodiment.
  • the wake-up of the BMS 20 may occur in synchronization with a time when power is supplied to the BMS 20 .
  • the power source of the BMS 20 may be the battery pack 10 or an external power source different from the battery pack 10 .
  • the external power source may be provided in the battery system 1 or may be provided outside the battery system 1 .
  • step S1 when the BMS 20 wakes up, the main control circuit 100 controls the sub control circuit 200 to measure the cell voltage of each of the plurality of battery cells.
  • the cell voltage of each of the plurality of battery cells measured by the sub control circuit 200 is transmitted to the main control circuit 100 ( S2 ).
  • step S1 if the BMS 20 does not wake-up, step S1 is repeated.
  • the main control circuit 100 controls the plurality of battery cells 11-14 from the first cell in order from the battery cell of the highest cell voltage to the battery cell of the lowest cell voltage. It is set to the 4th cell (S3).
  • the main control circuit 100 controls the sub control circuit 200 to periodically measure the cell voltages of the plurality of battery cells 11 - 14 .
  • the sub control circuit 200 measures the cell voltage of each of the plurality of battery cells 11-14 (S4).
  • the main control circuit 100 detects a minimum cell voltage and a maximum cell voltage among a plurality of battery cell voltages measured in step S4 ( S5 ).
  • the main control circuit 100 determines whether a cell voltage of each of the first diagnosis target battery cells (cell 1 and cell 2) is equal to or less than a minimum cell voltage (S6). For example, the main control circuit 100 may calculate a first cell voltage deviation value by subtracting the minimum cell voltage from the cell voltage of each of the first diagnosis target battery cells, and determine whether the first cell voltage deviation value is zero or less. have.
  • the main control circuit 100 may diagnose the corresponding battery cell as an abnormal cell (S7).
  • the main control circuit 100 may diagnose a battery cell having a first cell voltage deviation value of zero or less as an abnormality.
  • step S6 if all of the battery cells to be diagnosed are equal to or higher than the cell voltage of the fourth cell, the next step is performed.
  • the main control circuit 100 determines whether the cell voltage of each of the second diagnostic target battery cells (cells 3 and 4) is higher than the maximum cell voltage (S8). For example, the main control circuit 100 may calculate the second cell voltage deviation value by subtracting the cell voltage of each of the second diagnosis target battery cells from the maximum cell voltage, and determine whether the second cell voltage deviation value is zero or more. have.
  • the main control circuit 100 may diagnose the corresponding battery cell as an abnormal cell ( S7 ). For example, the main control circuit 100 may diagnose a battery cell having a second cell voltage deviation value of zero or less as an abnormality.
  • step S8 If it is determined in step S8 that all of the battery cells to be diagnosed are less than or equal to the cell voltage of cell No. 1, the main control circuit 100 repeats from step S4.
  • the BMS 20 may stop the operation of the battery system 100 .
  • FIG. 3 is a waveform diagram illustrating voltages of battery cells in a discharging mode to explain an exemplary embodiment.
  • the left axis is a unit axis for cell voltages of cells 1 to 4 (C1-C4)
  • a right axis is a unit axis for cell voltage deviation between a reference battery cell and a battery cell to be diagnosed
  • a horizontal axis is a plurality of batteries It is a unit axis for the number of cell voltage measurements for the cells 11-14.
  • the unit of the left axis and the right axis is volt (V), which is a unit of voltage, and the unit of the horizontal axis is times ( ⁇ ).
  • the cell voltage decrease rate of the No. 1 cell C1 increases after 4 times, so that the cell voltage of the No. 1 cell C1 becomes the minimum cell voltage in 10 cell voltage measurements, and the cell voltage The deviation d1 becomes zero, and after that, the minimum cell voltage is the cell voltage of the first cell C1, so the cell voltage deviation d1 is maintained at zero.
  • the main control circuit 100 may diagnose a battery cell corresponding to the first cell C1 among the plurality of battery cells 11-14 as an abnormal cell.
  • FIG. 4 is a waveform diagram illustrating voltages of battery cells in a charging mode to explain an embodiment.
  • the left axis is a unit axis for cell voltages of cells 1 to 4 (C1-C4)
  • a right axis is a unit axis for cell voltage deviation between a reference battery cell and a battery cell to be diagnosed
  • a horizontal axis is a plurality of batteries It is a unit axis for the number of cell voltage measurements for the cells 11-14.
  • the unit of the left axis and the right axis is volt (V), which is a unit of voltage
  • the unit of the horizontal axis is times ( ⁇ ).
  • the cell voltage increase rate of the fourth cell C4 increases after one cell voltage measurement, so the cell voltage of the fourth cell C4 becomes the maximum cell voltage in the seventh cell voltage measurement.
  • the cell voltage deviation d2 becomes zero, and after that, the maximum cell voltage is the cell voltage of the fourth cell C4, so the cell voltage deviation d2 is maintained at zero.
  • the main control circuit 100 may diagnose the battery cell corresponding to the fourth cell C1 among the plurality of battery cells 11-14 as an abnormal cell.
  • the battery system may detect an abnormal cell that is not detected in the over-voltage diagnosis and the under-voltage diagnosis.
  • the voltage range of the abnormal cells is within the normal voltage range that does not belong to the undervoltage and the overvoltage. Therefore, it is not detected as an abnormal cell by the conventional diagnostic method.
  • the cell voltage deviation between the cell voltages of the battery cells and the cell voltage deviation between the cell voltages of the battery cells measured while discharging or charging is performed are compared with each other, and as a result of the comparison, if the cell voltage deviation increases, abnormal was diagnosed with
  • the cell voltage deviation at the time of wake-up is approximately 0.06V
  • the cell voltage deviation at the time point at which the abnormality is detected is approximately 0.05V. That is, in the prior art, since abnormality is diagnosed based on the highest value among the voltage deviations between cell voltages, the cell voltage deviation in 10 cell voltage measurements of FIG. 3 is reduced than the cell voltage deviation during wake-up, The prior art cannot diagnose cell abnormalities.
  • the cell voltage deviation at the time of wake-up is approximately 0.06V
  • the cell voltage deviation at the time point at which the abnormality is detected is approximately 0.05V. Accordingly, since the cell voltage deviation in the seventh cell voltage measurement of FIG. 4 is less than the cell voltage deviation during wake-up, the prior art cannot diagnose a cell abnormality.
  • the abnormal state of the battery cell is diagnosed only when the abnormal state of the battery cell progresses for a considerable period of time, and a state such as undervoltage, overvoltage, or a very large cell voltage deviation occurs.
  • the battery system and the abnormal cell detection method can diagnose whether a cell is abnormal at a faster time than in the related art by adding only new diagnostic logic without changing the existing circuit.

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Abstract

배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및 웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 번호를 설정하고, 상기 웨이크-업 이후 주기적으로 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 최대 셀 전압과 최소 셀 전압을 검출하며, 상기 최소 셀 전압과 적어도 하나의 제1 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하고, 상기 최대 셀 전압과 적어도 하나의 제2 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하며, 상기 비교 결과들에 따라 상기 진단 대상 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.

Description

이상 셀 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 07월 24일자 한국 특허 출원 제10-2020-0092349호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 개시는 이상 셀 진단 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템에 관한 것이다.
배터리 셀의 이상 유무를 판단하기 위한 진단은 셀 전압 값의 범위에 기초한다. 예를 들어, 셀 전압 값이 소정의 정상 범위 내에 있으면 해당 배터리 셀에는 이상이 없는 것으로 진단될 수 있다.
그러나 결함이 있는 배터리 셀이 정상 범위 내의 셀 전압으로 동작할 수 있다. 이럴 경우, 결함이 있는 배터리 셀을 검출하지 못하는 한계가 있다.
이상 셀을 진단할 수 있는 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
발명의 한 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및 웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 번호를 설정하고, 상기 웨이크-업 이후 주기적으로 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 최대 셀 전압과 최소 셀 전압을 검출하며, 상기 최소 셀 전압과 적어도 하나의 제1 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하고, 상기 최대 셀 전압과 적어도 하나의 제2 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하며, 상기 비교 결과들에 따라 상기 진단 대상 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 1번 셀을 포함하도록 상기 제1 진단 대상 배터리 셀을 설정하고, 적어도 상기 n번 셀을 포함하도록 상기 제2 진단 대상 배터리 셀을 설정하며, 상기 n은 상기 복수의 배터리 셀의 전체 개수를 지시하는 자연수이다.
상기 n이 짝수인 경우, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 포함하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 포함할 수 있다.
상기 n이 홀수인 경우, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 포함하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 (n-1)/2번 셀 또는 상기 (n+1)/2 셀 내지 n번 셀을 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 웨이크-업 시부터 상기 복수의 배터리 셀에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 서브 제어 회로; 및 상기 셀 전압 측정 주기마다, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최소 셀 전압 이하의 배터리 셀을 이상으로 진단하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최대 셀 전압 이상인 배터리 셀을 이상으로 진단하는 메인 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 주기적으로 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 1번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하며, 적어도 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 복수의 배터리 셀 및 상기 복수의 배터리 셀에 연결된 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 이상 셀 진단 방법은, 웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 1번 내지 n번을 설정하는 단계(n은 상기 복수의 배터리 셀의 개수); 상기 배터리 관리 시스템이 웨이크-업 한 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 단계; 상기 측정된 복수의 배터리 셀의 전압들 중 최소 셀 전압과 최대 셀 전압을 검출하는 단계; 상기 측정한 복수의 배터리 셀 전압에 대해서 적어도 상기 1번 셀을 포함하는 제1 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최소 셀 전압 이하인지 판단하는 단계; 적어도 상기 n번 셀을 포함하는 제2 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최대 셀 전압 이상인지 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과들에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 중 이상 셀을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀을 진단하는 단계는, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최소 셀 전압 이하인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀을 진단하는 단계는, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최대 셀 전압 이상인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀 진단 방법은, 상기 n이 짝수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나, 상기 n이 홀수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이상 셀 진단 방법은, 상기 n이 짝수인 경우, 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나, 상기 n이 홀수인 경우, 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상 셀을 진단할 수 있는 방법 및 이를 적용한 배터리 시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 이상 셀 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 일 실시예를 설명하기 위해 방전 모드에서의 배터리 셀들의 전압을 나타낸 파형도이다.
도 4는 일 실시예를 설명하기 위해 충전 모드에서의 배터리 셀들의 전압을 나타낸 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명발명의 한 특징에 따른 배터리 시스템은, 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및 웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 번호를 설정하고, 상기 웨이크-업 이후 주기적으로 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 최대 셀 전압과 최소 셀 전압을 검출하며, 상기 최소 셀 전압과 적어도 하나의 제1 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하고, 상기 최대 셀 전압과 적어도 하나의 제2 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하며, 상기 비교 결과들에 따라 상기 진단 대상 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템을 포함한다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 1번 셀을 포함하도록 상기 제1 진단 대상 배터리 셀을 설정하고, 적어도 상기 n번 셀을 포함하도록 상기 제2 진단 대상 배터리 셀을 설정하며, 상기 n은 상기 복수의 배터리 셀의 전체 개수를 지시하는 자연수이다.
상기 n이 짝수인 경우, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 포함하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 포함할 수 있다.
상기 n이 홀수인 경우, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 포함하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 (n-1)/2번 셀 또는 상기 (n+1)/2 셀 내지 n번 셀을 포함할 수 있다.
상기 배터리 관리 시스템은, 상기 웨이크-업 시부터 상기 복수의 배터리 셀에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 서브 제어 회로; 및 상기 셀 전압 측정 주기마다, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최소 셀 전압 이하의 배터리 셀을 이상으로 진단하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최대 셀 전압 이상인 배터리 셀을 이상으로 진단하는 메인 제어 회로를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어 회로는, 주기적으로 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 1번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하며, 적어도 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정할 수 있다.
발명의 다른 특징에 따른 복수의 배터리 셀 및 상기 복수의 배터리 셀에 연결된 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 이상 셀 진단 방법은, 웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 1번 내지 n번을 설정하는 단계(n은 상기 복수의 배터리 셀의 개수); 상기 배터리 관리 시스템이 웨이크-업 한 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 단계; 상기 측정된 복수의 배터리 셀의 전압들 중 최소 셀 전압과 최대 셀 전압을 검출하는 단계; 상기 측정한 복수의 배터리 셀 전압에 대해서 적어도 상기 1번 셀을 포함하는 제1 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최소 셀 전압 이하인지 판단하는 단계; 적어도 상기 n번 셀을 포함하는 제2 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최대 셀 전압 이상인지 판단하는 단계; 및 상기 판단 결과들에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 중 이상 셀을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀을 진단하는 단계는, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최소 셀 전압 이하인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀을 진단하는 단계는, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최대 셀 전압 이상인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이상 셀 진단 방법은, 상기 n이 짝수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나, 상기 n이 홀수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이상 셀 진단 방법은, 상기 n이 짝수인 경우, 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나, 상기 n이 홀수인 경우, 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및/또는 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1의 배터리 시스템(1)은 차량에 장착되어 모터와 같은 전장 부하가 출력단(+, -)에 연결되고, 전장 부하에 전력을 공급할 수 있다. 또한, 배터리 시스템(1)의 출력단(+, -)은 충전기(도시되지 않음)에 연결되어 충전기로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 배터리 시스템(1)은, 전장 부하에 전력을 공급하는 방전 모드와 충전기로부터 전력이 공급되는 충전 모드로 동작할 수 있다.
배터리 시스템(1)은 배터리(10), 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)(20), 셀 전압 측정 회로(30), 셀 밸런싱 회로(40), 릴레이부(50), 퓨즈(60), 및 전류 센서(70)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리(10)는 직렬 연결된 복수의 배터리 셀(11-15)를 포함한다. 도 1에서는 배터리(10)가 4개의 배터리 셀(11-14)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 일 예로 발명이 이에 한정되지 않는다.
퓨즈(60)는 배터리(10)의 양극과 출력 단자(+) 사이에 연결되어 과도 전류로 인해 그 온도가 임계치에 도달하면 끊어질 수 있다.
릴레이부(50)는 배터리(10)의 충전 및 방전 시의 전류 경로를 제어한다. 릴레이부(50)의 닫힘 및 열림은 BMS(20)로부터 공급되는 릴레이 제어 신호(RSC)에 따라 제어된다.
전류센서(70)는 배터리(10)에 흐르는 전류(이하, 배터리 전류)의 방향 및 전류의 크기를 감지하고, 전류센서(70)는 감지된 전류의 크기 및 방향을 지시하는 신호(VCS)를 BMS(20)에 전송할 수 있다.
BMS(20)는 복수의 배터리 셀(11-14)의 셀 전압, 배터리 전류 등의 정보에 기초하여 배터리 배터리(10)의 충방전 전류를 제어하고, 복수의 배터리 셀(11-14)에 대한 밸런싱부(40)를 제어하여 셀 밸런싱 동작을 수행한다. BMS(20)는 셀 전압 측정부(30)를 통해 복수의 배터리 셀(11-14) 각각에 연결되어 셀 전압을 측정할 수 있다.
배터리 시스템(1)을 동작시키기 위해 BMS(20)가 먼저 웨이크-업(wake-up)될 수 있다. BMS(20)는 웨이크-업 시 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 측정하고, 측정된 셀 전압들을 정렬하여 복수의 배터리 셀(11-14) 각각에 번호를 설정하며, 웨이크-업 이후 상기 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하고, 최대 셀 전압과 최소 셀 전압 각각을 적어도 하나의 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압과 비교하며, 비교 결과에 따라 진단 대상 배터리 셀의 이상 여부를 진단할 수 있다.
진단 대상 배터리 셀들의 개수는 전체 배터리 셀(n개)이 아닌 전체 배터리 셀 중 반에 해당하는 개수(n/2)로 설정될 수 있다. 최저 셀 전압을 가지는 웨이크-업 시의 n번 셀과 비슷한 전압을 가질 수 있는 하위 (n/2)-1 개를 제외한 1번 셀 내지 (n/2)번 셀을 최소 셀 전압과 비교할 진단 대상 배터리 셀로 설정할 수 있다. 최대 셀 전압과 비교될 진단 대상 배터리 셀들의 개수도 전체 배터리 셀 개수의 반에 해당하는 개수로 설정될 수 있다. 충전의 경우 최고 셀 전압을 가지는 웨이크-업 시의 1번 셀과 비슷한 전압을 가질 수 있는 상위 (n/2) 개를 제외한 (n/2)+1번 셀 내지 n번 셀을 최대 셀 전압과 비교될 진단 대상 배터리 셀로 설정될 수 있다.
도 1에 도시된 배터리 시스템에 이를 적용하면, 방전의 경우 최저 셀 전압을 가지는 4번 셀과 비슷한 전압을 가질 수 있는 3번 셀은 방전에 의해 4번 셀의 셀 전압 보다 낮을 수 있으므로 진단 대상 배터리 셀이 아니고, 나머지 1번 셀 및 2번 셀이 진단 대상 배터리 셀로 설정될 수 있다. 충전의 경우 최고 셀 전압을 가지는 1번 셀과 비슷한 전압을 가질 수 있는 2번 셀은 충전에 의해 1번 셀의 셀 전압 보다 높을 수 있으므로 진단 대상 배터리 셀이 아니고, 나머지 3번 및 4번 셀이 진단 대상 배터리 셀로 설정될 수 있다.
전체 배터리 셀의 개수가 홀수인 경우, 진단 대상 배터리 셀의 개수는 전체 배터리 셀의 개수의 반이 자연수가 아니므로, 전체 배터리 셀의 개수의 반과 유사한 자연수로 설정될 수 있다. 예를 들어, 전체 배터리 셀의 개수가 n인 경우, 반과 유사한 자연수는 (n-1)/2 또는 (n+1)/2 일 수 있다.
BMS(20)는 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 까지의 순서대로, 복수의 배터리 셀(11-14)을 1번 셀 내지 4번 셀로 설정한다.진단 대상 배터리 셀들(일 실시예에서는 1번 셀 및 2번 셀) 각각의 셀 전압이 최소 셀 전압보다 낮아지는 것이 BMS(20)에 의해 검출되면, BMS(20)는 최소 셀 전압보다 낮은 배터리 셀에 이상이 있는 것으로 진단할 수 있다. 또한, 진단 대상 배터리 셀들(일 실시예에서는 3번 셀 및 4번 셀) 각각의 셀 전압이 최대 셀 전압 보다 높아지는 것이 BMS(20)에 의해 검출되면, BMS(20)는 최대 셀 전압 보다 높은 배터리 셀에 이상이 있는 것으로 진단할 수 있다.
셀 전압 측정 회로(30)는 복수의 저항(31-35)을 포함한다. 저항(31)은 배터리 셀(11)의 양극과 입력단(P1) 사이에 연결되어 있고, 저항(32)의 일단은 배터리 셀(11)의 음극 및 배터리 셀(12)의 양극에 연결되어 있으며, 저항(32)의 타단은 입력단(P3)에 연결되어 있으며, 저항(33)의 일단은 배터리 셀(12)의 음극 및 배터리 셀(13)의 양극에 연결되고, 저항(33)의 타단은 입력단(P5)에 연결되어 있으며, 저항(34)의 일단은 배터리 셀(13)의 음극 및 배터리 셀(14)의 양극에 연결되어 있고, 저항(34)의 타단은 입력단(P7)에 연결되어 있으며, 저항(35)의 일단은 배터리 셀(14)의 음극 및 배터리 셀(15)의 양극에 연결되어 있고, 저항(35)의 타단은 입력단(P9)에 연결되어 있다.
셀 밸런싱 회로(30)는 복수의 저항(41, 43, 45, 47) 및 복수의 배터리 셀 밸런싱 스위치(42, 44, 46, 48)를 포함한다.
입력단(P1)과 입력단(P3) 사이에는 저항(41) 및 셀 밸런싱 스위치(42)가 직렬로 연결되어 있고, 셀 밸런싱 스위치(42)의 게이트는 출력단(P2)에 연결되어 있으며, 셀 밸런싱 스위치(42)는 셀 전압 모니터링 & 셀 밸런싱 서브 제어 회로(200)에서 생성된 셀 밸런싱 제어 신호(BC1)에 따라 스위칭한다.
입력단(P3)과 입력단(P5) 사이에는 저항(43) 및 셀 밸런싱 스위치(44)가 직렬로 연결되어 있고, 셀 밸런싱 스위치(44)의 게이트는 출력단(P4)에 연결되어 있으며, 셀 밸런싱 스위치(44)는 셀 밸런싱 제어부(200)에서 생성된 셀 밸런싱 제어 신호(BC2)에 따라 스위칭한다.
입력단(P5)과 입력단(P7) 사이에는 저항(45) 및 셀 밸런싱 스위치(46)가 직렬로 연결되어 있고, 셀 밸런싱 스위치(46)의 게이트는 출력단(P6)에 연결되어 있으며, 셀 밸런싱 스위치(46)는 셀 밸런싱 제어부(200)에서 생성된 셀 밸런싱 제어 신호(BC3)에 따라 스위칭한다.
입력단(P7)과 입력단(P9) 사이에는 저항(47) 및 셀 밸런싱 스위치(48)가 직렬로 연결되어 있고, 셀 밸런싱 스위치(48)의 게이트는 출력단(P8)에 연결되어 있으며, 셀 밸런싱 스위치(48)는 셀 밸런싱 제어부(200)에서 생성된 셀 밸런싱 제어 신호(BC4)에 따라 스위칭한다.
BMS(20)는 메인 제어 회로(100) 및 서브 제어 회로(200)를 포함할 수 있다. 메인 제어 회로(100)는 BMS(20)의 동작을 제어하는 구성으로, BMS(20)가 수신하는 셀 전압, 배터리 전류, 셀 온도 등의 정보에 기초하여 BMS(20)의 동작을 제어한다.
서브 제어 회로(200)는 메인 제어 회로(100)의 제어에 따라 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 측정한다. 서브 제어 회로(200)는 입력단(P1) 전압과 입력단(P3) 전압 간의 차에 기초하여 배터리 셀(11)의 전압을 측정하고, 입력단(P3) 전압과 입력단(P5) 전압 간의 차에 기초하여 배터리 셀(12)의 전압을 측정하며, 입력단(P5) 전압과 입력단(P7) 전압 간의 차에 기초하여 배터리 셀(13) 전압을 측정하고, 입력단(P8) 전압과 입력단(P9) 전압 간의 차에 기초하여 배터리 셀(14) 전압을 측정한다. 서브 제어 회로(200)에 의해 측정된 복수의 배터리 셀 전압은 메인 제어 회로(100)에 전달될 수 있다.
서브 제어 회로(200)는 복수의 배터리 셀 전압에 기초하여 셀 밸런싱을 제어한다. 예를 들어, 서브 제어 회로(200)는 복수의 배터리 셀 전압 각각을 소정의 임계치와 비교하여, 복수의 배터리 셀 전압 중 소정의 임계치를 넘는 배터리 셀을 검출하고, 검출된 배터리 셀을 방전하기 위한 셀 밸런싱 제어 신호를 생성할 수 있다. 또는, 서브 제어 회로(200)가 복수의 배터리 셀 전압 간의 편차를 산출하고, 산출된 편차가 소정의 임계치를 넘는 배터리 셀을 검출하며, 검출된 배터리 셀을 방전하기 위한 셀 밸런싱 제어 신호를 생성할 수 있다.
메인 제어 회로(100)는 BMS(20)의 웨이크-업 시에 측정된 복수의 배터리 셀(11-14)의 셀 전압들을 높은 전압 순으로 정렬하여 복수의 배터리 셀(11-14) 각각에 번호를 설정하고, 웨이크-업 이후 주기적으로 복수의 배터리 셀(11-14)의 셀 전압들을 측정하면서 최대 셀 전압 및 최소 셀 전압과 복수의 배터리 셀들 중 반에 해당하는 진단 대상 배터리 셀들의 셀 전압과 비교하며, 비교 결과에 따라 진단 대상 배터리 셀들의 이상 여부를 진단할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 일 실시예에 따른 이상 셀 진단 방법을 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 이상 셀 진단 방법을 나타낸 순서도이다.
BMS(20)가 웨이크-업 하였는지 판단한다(S1). BMS(20)의 웨이크-업은 BMS(20)에 전원이 공급되는 시점에 동기되어 발생할 수 있다. BMS(20)의 전원은 배터리 팩(10)이거나, 배터리 팩(10)과 다른 외부 전원일 수 있다. 외부 전원은 배터리 시스템(1)에 구비될 수 있거나, 배터리 시스템(1)의 외부에 구비될 수 있다.
S1 단계의 판단 결과, BMS(20)가 웨이크-업 한 경우, 메인 제어 회로(100)는 서브 제어 회로(200)를 제어하여 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하도록 한다. 서브 제어 회로(200)에 의해 측정된 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압은 메인 제어 회로(100)에 전송된다(S2). S1 단계의 판단 결과, BMS(20)가 웨이크-업 하지 않은 경우 S1 단계가 반복된다.
메인 제어 회로(100)는 수신한 복수의 배터리 셀 전압들을 대상으로, 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 복수의 배터리 셀(11-14)을 1번 셀부터 4번 셀로 설정한다(S3).
메인 제어 회로(100)는 웨이크-업 이후 서브 제어 회로(200)를 제어하여 주기적으로 복수의 배터리 셀(11-14)의 셀 전압을 측정하도록 제어한다. 서브 제어 회로(200)는 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 측정한다(S4).
메인 제어 회로(100)는 S4 단계에서 측정된 복수의 배터리 셀 전압들 중 최소 셀 전압과 최대 셀 전압을 검출한다(S5).
메인 제어 회로(100)는 제1 진단 대상 배터리 셀들(1번 셀 및 2번 셀) 각각의 셀 전압이 최소 셀 전압 이하인지 판단한다(S6). 예를 들어, 메인 제어 회로(100)는 제1 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압에서 최소 셀 전압을 뺀 제1 셀 전압 편차 값을 산출하고, 제1 셀 전압 편차 값이 영 이하인지 판단할 수 있다.
S6 단계의 판단 결과, 제1 진단 대상 배터리 셀들 중 적어도 하나가 최소 셀 전압 이하일 때, 메인 제어 회로(100)는 해당 배터리 셀을 이상 셀로 진단할 수 있다(S7). 예를 들어, 메인 제어 회로(100)는 제1 셀 전압 편차 값이 영 이하인 배터리 셀을 이상으로 진단할 수 있다.
S6 단계의 판단 결과, 진단 대상 배터리 셀들 모두 4번 셀의 셀 전압 이상이면, 다음 단계를 진행한다.
메인 제어 회로(100)는 제2 진단 대상 배터리 셀들(3번 셀 및 4번 셀) 각각의 셀 전압이 최대 셀 전압보다 높은지 판단한다(S8). 예를 들어, 메인 제어 회로(100)는 최대 셀 전압에서 제2 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압을 뺀 제2 셀 전압 편차 값을 산출하고, 제2 셀 전압 편차 값이 영 이상인지 판단할 수 있다.
S8 단계의 판단 결과, 제2 진단 대상 배터리 셀들 중 적어도 하나가 최대 셀 전압 이상일 때, 메인 제어 회로(100)는 해당 배터리 셀을 이상 셀로 진단할 수 있다(S7). 예를 들어, 메인 제어 회로(100)는 제2 셀 전압 편차 값이 영 이하인 배터리 셀을 이상으로 진단할 수 있다.
S8 단계의 판단 결과, 제2 진단 대상 배터리 셀들 모두 1번 셀의 셀 전압 이하이면, 메인 제어 회로(100)는 S4 단계부터 반복한다.
이상 셀이 진단되면, BMS(20)는 배터리 시스템(100)의 동작을 정지시킬 수 있다.
도 3은 일 실시예를 설명하기 위해 방전 모드에서의 배터리 셀들의 전압을 나타낸 파형도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 웨이크-업 시(셀 전압 측정 1회)에 측정된 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀(11-14)에 대해서 1번 셀(C1), 2번 셀(C2), 3번 셀(C3), 및 4번 셀(C4)이 설정된다.
도 3에서 왼쪽 축은 1번 셀 내지 4번 셀(C1-C4)의 셀 전압에 대한 단위 축이고, 오른쪽 축은 기준 배터리 셀과 진단 대상 배터리 셀 간의 셀 전압 편차에 대한 단위 축이며, 가로 축은 복수의 배터리 셀(11-14)에 대한 셀 전압 측정 횟수에 대한 단위 축이다. 왼쪽 축 및 오른쪽 축의 단위는 전압 단위인 볼트(volt, V)이고, 가로 축의 단위는 회(回)이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 1번 셀(C1)의 셀 전압 감소율은 4회 이후에 증가하여, 1번 셀(C1)의 셀 전압은 셀 전압 측정 10회에서 최소 셀 전압이 되고, 셀 전압 편차(d1)가 영이 되며, 그 이후, 최소 셀 전압은 1번 셀(C1)의 셀 전압이므로 셀 전압 편차(d1)가 영으로 유지된다. 메인 제어 회로(100)는 복수의 배터리 셀(11-14) 중 1번 셀(C1)에 해당하는 배터리 셀을 이상 셀로 진단할 수 있다.
도 4는 일 실시예를 설명하기 위해 충전 모드에서의 배터리 셀들의 전압을 나타낸 파형도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 웨이크-업 시(셀 전압 측정 1회)에 측정된 복수의 배터리 셀(11-14) 각각의 셀 전압을 기초로, 복수의 배터리 셀(11-14)에 대해서 1번 셀(C1), 2번 셀(C2), 3번 셀(C3), 및 4번 셀(C4)이 설정된다.
도 4에서 왼쪽 축은 1번 셀 내지 4번 셀(C1-C4)의 셀 전압에 대한 단위 축이고, 오른쪽 축은 기준 배터리 셀과 진단 대상 배터리 셀 간의 셀 전압 편차에 대한 단위 축이며, 가로 축은 복수의 배터리 셀(11-14)에 대한 셀 전압 측정 횟수에 대한 단위 축이다. 왼쪽 축 및 오른쪽 축의 단위는 전압 단위인 볼트(volt, V)이고, 가로 축의 단위는 회(回)이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 4번 셀(C4)의 셀 전압 증가율이 셀 전압 측정 1회 이후에 증가함여, 4번 셀(C4)의 셀 전압은 셀 전압 측정 7회에서 최대 셀 전압이 되고, 셀 전압 편차(d2)가 영이 되며, 그 이후, 최대 셀 전압은 4번 셀(C4)의 셀 전압이므로 셀 전압 편차(d2)가 영으로 유지된다. 그러면, 메인 제어 회로(100)는 복수의 배터리 셀(11-14) 중 4번 셀(C1)에 해당하는 배터리 셀을 이상 셀로 진단할 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 따른 배터리 시스템은 과전압(over voltage) 진단, 저전압(under voltage) 진단에서는 검출되지 않는 이상 셀을 검출할 수 있다. 도 3 및 도 4에서, 이상 셀들의 전압 범위는 저전압 및 과전압에는 속하지 않는 정상 전압 범위 내이다. 따라서 종래 진단 방식으로는 이상 셀로 검출되지 않는다.
종래에는, 웨이크-업 시에 배터리 셀들의 셀 전압들 간의 셀 전압 편차와 방전 또는 충전이 진행되면서 측정되는 배터리 셀들의 셀 전압들 간의 셀 전압 편차를 서로 비교하고, 비교 결과 셀 전압 편차가 커지면 이상이 있는 것으로 진단되었다.
종래 방식을 때를 때, 도 3에 도시된 예에서, 웨이크-업 시에 셀 전압 편차는 대략 0.06V이고, 이상이 검출된 시점에서의 셀 전압 편차는 대략 0.05V이다. 즉, 종래 기술에서는 셀 전압들 간의 전압 편차 중 가장 높은 값을 기준으로 이상 여부를 진단하므로, 도 3의 셀 전압 측정 10회 때의 셀 전압 편차가 웨이크-업 시에 셀 전압 편차 보다 감소하였으므로, 종래 기술은 셀 이상을 진단할 수 없다.
마찬가지로, 종래 방식을 따를 때, 도 4에 도시된 예에서, 웨이크-업 시에 셀 전압 편차는 대략 0.06V이고, 이상이 검출된 시점에서의 셀 전압 편차는 대략 0.05V이다. 따라서, 도 4의 셀 전압 측정 7회 때의 셀 전압 편차가 웨이크-업 시에 셀 전압 편차 보다 감소하였으므로, 종래 기술은 셀 이상을 진단할 수 없다.
종래 방식에 따르면, 배터리 셀의 이상 상태가 상당 기간 진행되어, 저전압, 과전압, 매우 큰 셀 전압 편차 등의 상태가 발생되어야 배터리 셀의 이상 상태가 진단되었다.
이와 달리, 일 실시에에 따른 배터리 시스템 및 이상 셀 검출 방법은, 기존의 회로 변경 없이 새로운 진단 로직만을 추가하여 종래에 비해 빠른 시점에 셀의 이상 여부를 진단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지로 변형 및 개량한 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 복수의 배터리 셀을 포함하는 배터리 팩; 및
    웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 상기 복수의 배터리 셀 각각에 번호를 설정하고, 상기 웨이크-업 이후 주기적으로 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 최대 셀 전압과 최소 셀 전압을 검출하며, 상기 최소 셀 전압과 적어도 하나의 제1 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하고, 상기 최대 셀 전압과 적어도 하나의 제2 진단 대상 배터리 셀의 셀 전압을 비교하며, 상기 비교 결과들에 따라 상기 진단 대상 배터리 셀의 이상 여부를 진단하는 배터리 관리 시스템을 포함하는, 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고,
    적어도 상기 1번 셀을 포함하도록 상기 제1 진단 대상 배터리 셀을 설정하며, 적어도 상기 n번 셀을 포함하도록 상기 제2 진단 대상 배터리 셀을 설정하고, 상기 n은 상기 복수의 배터리 셀의 전체 개수를 지시하는 자연수인, 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 n이 짝수인 경우,
    상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 포함하고,
    상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 포함하는, 배터리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 n이 홀수인 경우,
    상기 제1 진단 대상 배터리 셀은 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 포함하고,
    상기 제2 진단 대상 배터리 셀은 상기 (n-1)/2번 셀 또는 상기 (n+1)/2 셀 내지 n번 셀을 포함하는, 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 관리 시스템은,
    상기 웨이크-업 시부터 상기 복수의 배터리 셀에 연결되어 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 서브 제어 회로; 및
    상기 셀 전압 측정 주기마다, 상기 제1 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최소 셀 전압 이하의 배터리 셀을 이상으로 진단하고, 상기 제2 진단 대상 배터리 셀 중 상기 최대 셀 전압 이상의 배터리 셀을 이상으로 진단하는 메인 제어 회로를 포함하는, 배터리 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    주기적으로 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 1번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하는, 배터리 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 메인 제어 회로는,
    주기적으로 측정된 셀 전압 중 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀을 1번 셀 내지 n번 셀로 설정하고, 적어도 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하는, 배터리 시스템.
  8. 복수의 배터리 셀 및 상기 복수의 배터리 셀에 연결된 배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 시스템의 이상 셀 진단 방법에 있어서,
    웨이크-업 시에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 측정하여 가장 높은 셀 전압의 배터리 셀부터 가장 낮은 셀 전압의 배터리 셀 순서대로, 상기 복수의 배터리 셀 각각에 1번 내지 n번을 설정하는 단계(n은 상기 복수의 배터리 셀의 개수);
    상기 배터리 관리 시스템이 웨이크-업 한 이후에 상기 복수의 배터리 셀 각각의 셀 전압을 주기적으로 측정하는 단계;
    상기 측정된 복수의 배터리 셀의 전압들 중 최소 셀 전압과 최대 셀 전압을 검출하는 단계;
    적어도 상기 1번 셀을 포함하는 제1 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최소 셀 전압 이하인지 판단하는 단계;
    적어도 상기 n번 셀을 포함하는 제2 진단 대상 배터리 셀들 각각의 셀 전압이 상기 최대 셀 전압 이상인지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과들에 기초하여 상기 복수의 배터리 셀 중 이상 셀을 진단하는 단계를 포함하는, 이상 셀 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이상 셀을 진단하는 단계는,
    상기 제1 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최소 셀 전압 이하인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함하는, 이상 셀 진단 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 이상 셀을 진단하는 단계는,
    상기 제2 진단 대상 배터리 셀들 중 상기 최대 셀 전압 이상인 배터리 셀을 이상으로 판단하는 단계를 포함하는, 이상 셀 진단 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 n이 짝수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 n/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나,
    상기 n이 홀수인 경우, 상기 1번 셀 내지 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀을 상기 제1 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함하는, 이상 셀 진단 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 n이 짝수인 경우, 상기 n/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하거나,
    상기 n이 홀수인 경우, 상기 (n-1)/2 또는 상기 (n+1)/2번 셀 내지 상기 n번 셀을 상기 제2 진단 대상 배터리 셀로 설정하는 단계를 더 포함하는, 이상 셀 진단 방법.
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